Совершенствование конструкции и технологии крепления скважин большого диаметра тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.22, кандидат технических наук Сильченко, Юрий Александрович

• Сильченко, Юрий Александрович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сильченко, Юрий Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СООРУЖЕНИЯ СКВАЖИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА. ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Общие сведения.

1.2. Анализ опыта сооружения скважин большого диаметра в бывшем СССР и Российской Федерации.

1.3. Анализ структуры технико-экономических показателей сооружения скважин большого диаметра.

1.4. Анализ исследований в области сооружения скважин большого диаметра.

1.5. Выводы по главе 1. Цель, задачи и методы исследований

2. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВМЕЩАЮЩЕГО СКВАЖИНУ ПОРОДНОГО МАССИВА И КРЕПИ ПРИ КРЕПЛЕНИИ НАБРЫЗГ-БЕТОНОМ С ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ ОТКАЧКОЙ БУРОВОГО РАСТВОРА.

2.1. Исследование напряженно-деформированного состояния вмещающего скважину породного массива и крепи.

2.2. Определение зоны неупругих деформаций пород на незакрепленном участке скважины между ранее возведенной крепью и уровнем откачиваемого бурового раствора

2.3. Блок-схема и алгоритм решения задачи

2.4. Выводы по главе 2.

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ КРЕПЛЕНИЯ СКВАЖИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА НАБРЫЗГ-БЕТОННОЙ КРЕПЬЮ

С ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ ОТКАЧКОЙ БУРОВОГО РАСТВОРА.

3.1. Выбор и обоснование основных параметров технологических схем.

3.2. Сравнительный анализ предложенной технологической схемы с традиционной схемой крепления металлической крепью.

3.3. Выводы по главе 3.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ КРЕПЛЕНИЯ СКВАЖИН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА НАБРЫЗГ-БЕТОННОЙ КРЕПЬЮ

С ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ ОТКАЧКОЙ БУРОВОГО РАСТВОРА.

4.1. Экономическая оценка технологии крепления комбинированной набрызг-бетонной крепью с опережающей откачкой бурового раствора.

4.2. Область применения технологии крепления комбинированной набрызг-бетонной крепью с опережающей откачкой бурового раствора

4.3. Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование конструкции и технологии крепления скважин большого диаметра»

Бурение скважин большого диаметра представляет собой надежный и эффективный способ строительства вертикальных горных выработок практически в самых различных горно-геологических условиях.

Скважины большого диаметра в горнодобывающей промышленности и подземном строительстве используются как элементы вскрытия и подготовки шахтного поля, в качестве технических скважин для водоотлива, прокладки кабелей, спуска закладочных материалов, вентиляции транспортных тоннелей, захоронения токсичных и радиоактивных промышленных отходов и др. Кроме того, в некоторых случаях более целесообразно и экономично пробурить несколько скважин диаметром до 2,0 м, чем пройти один ствол большого диаметра.

Основным фактором, сдерживающим их широкое применение в условиях России является высокая стоимость работ, которая соизмерима со специальными способами проходки стволов.

Анализ структуры затрат стоимости, трудоемкости и продолжительности бурения скважин большого диаметра по традиционной технологии с креплением металлической крепью показал, что 30-40% их приходится на процессы, связанные с креплением. С увеличением глубины и диаметра скважин доля затрат на крепление значительно возрастает.

В настоящее время в России и других странах СНГ для крепления скважин большого диаметра применяют, в основном, металлические секционные крепи, отличающиеся высокой металлоемкостью и стоимостью. Выбор конструкции крепи производится без глубокого анализа горногеологических условий и технических требований к эксплуатации скважин. Применение других видов крепи носит эпизодический характер.

Учитывая изложенное проблемы совершенствования конструкции и технологии крепления скважин большого диаметра являются актуальной научно-технической задачей.

Решению этих задач посвящается настоящая работа.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР по научному направлению кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасском политехнического института) П-53-801 «Разработать средства и способы крепления и охраны горных выработок и обеспечения безопасности труда на горных и строящихся предприятиях».

Цель работы заключается в повышении технико-экономической эффективности сооружения скважин большого диаметра путем совершенствования конструкции крепи и технологии ее возведения.

Идея работы состоит в повышении технико-экономической эффективности сооружения скважин большого диаметра, пройденных бурением, посредством совершенствования конструкции и технологии крепления, достигаемого применением комбинированной набрызг-бетонной крепи в сочетании с железобетонными анкерами, возводимой с опережающей откачкой бурового раствора.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий: системный анализ опыта сооружения скважин большого диаметра и обработку массива данных, полученных в результате исследований с привлечением методов статистического анализа; математическое моделирование на базе теории сплошных сред с целью геомеханического обоснования конструкций облегченной крепи скважин большого диаметра на базе анкеров и набрызг-бетона и технологии ее возведения; проектные разработки технологических схем крепления скважин большого диаметра облегченными крепями и технико-экономические расчеты предложенной технологии с определением области ее эффективного применения.

Для выполнения численных расчетов использованы современные ПК и программное обеспечение.

Научные положения, разработанные лично автором, защищаемые в диссертации:

1. с увеличением удельного веса бурового раствора происходит увеличение величины суммарных смещений породного контура сечения скважины на незакрепленном участке после откачки бурового раствора и, как следствие, увеличение размеров зоны развития неупругих деформаций вокруг этого участка;

2. при достижении некоторого порогового значения глубины скважины происходит изменение знака действия «снимаемых» напряжений в при-контурном массиве в период бурения. На глубинах менее порогового значения наблюдается увеличение среднего напряжения, что оказывает упрочняющее действие, а при глубинах более пороговых значений возникает развитие зоны неупругих деформаций, размеры которой имеют линейную зависимость от диаметра скважины;

3. с увеличением скорости выполнения технологических процессов (бурения, откачки и крепления), а также модуля упругости пересекаемых пород наблюдается уменьшение суммарных смещений породного контура сечения скважины. Величина участка скважины между возводимой крепью и уровнем откачиваемой жидкости незначительно влияет на суммарные смещения; увеличение смещений наблюдается лишь в породах с большим временем релаксации для скважин с конечной глубиной бурения до 300 м.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- использованием классических методов механики сплошных сред, теории математической статистики, удовлетворительной сходимостью результатов расчетных и фактических данных;

- положительными результатами внедрения основных положений диссер тационной работы при строительстве двух водоотливных скважин на ОАО «Шахта «Бургустинская» и смотрового колодца К-7А канализационного коллектора №68 в г. Ростов-на-Дону.

Научная новизна работы заключается в установлении зависимости напряженно-деформированного состояния вмещающего скважину породного массива в процессе бурения и крепления от плотности бурового раствора, времени выполнения отдельных технологических операций, величины отставания постоянной крепи от уровня откачиваемого бурового раствора и физико-механических свойств вмещающих пород.

Практическое значение работы1 заключается в:

1. разработке методики определения размеров области неупругих деформаций на незакрепленном участке скважины между уровнем бурового раствора и ранее возведенной постоянной крепью и расчета параметров анкерной крепи;

2. разработке методики определения параметров конструкции постоянной набрызг-бетонной крепи скважины;

3. разработке технико-экономически обоснованных технологических схем крепления скважин большого диаметра комбинированной набрызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой, возводимой с опережающей откачкой бурового раствора;

4. установлейии области применения предложенной технологии крепления скважин большого диаметра комбинированной набрызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой с опережающей откачкой бурового раствора.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Опытно-промышленная проверка основных положений диссертации проводилась при строительстве двух водоотливных скважин на ОАО «Шахта «Бургустинская» и смотрового колодца К-7А канализационного коллектора №68 в г. Ростов-на-Дону.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на двух научно-производственных конференциях Южно-Российского государственного технического университета (г. Шахты, 2002-03 гг.), научно-производственной конференции Академии строительства Украины (г. Донецк, 2002 г.), научных семинарах кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета (г. Шахты, 2000-03 гг.) и технических советах ООО «НТЦ «Наука и Практика».

Публикации. Основные положения изложены в 3 научных статьях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 274 страницах, включает 45 рисунков и 39 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 61 источника

Заключение диссертации по теме «Геотехнология(подземная, открытая и строительная)», Сильченко, Юрий Александрович

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Монографии:

1. Сильченко Ю.А. Совершенствование конструкции крепи скважин большого диаметра и технологии ее возведения. Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2003. - 74 с.

Научные статьи:

2. Особенности технологии бурения и крепления скважин большого диаметра при строительстве объектов городского подземного хозяйства и хранилищ токсичных промышленных отходов // Технология и проектарование подземного строительства: Вестник. - Донецк: Норд-пресс, 2002.-Вып. 2.-С. 164-165. (Соавторы Ягодкин Ф.И. и др.).

3. Новый математический метод определения прочностных характеристик горных пород // Научно-технические проблемы шахтного строительства. Сб. науч. тр. / Шахтинский институт ЮРГТУ. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000.-С. 70-73.

4. Анализ методик расчета параметров сталеполимерной анкерной крепи // Научно-технические проблемы шахтного строительства. Сб. науч. тр. / Шахтинский институт ЮРГТУ. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000. - С. 149156. (Соавтор Привалов A.A.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая проблема крепления скважин большого диаметра комбинированной набрызг-бетонной крепью с опережающей откачкой бурового раствора.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Выполнен системный анализ современного состояния и основных тенденций развития сооружения скважин большого диаметра, которым установлено:

1.1. сооружение скважин большого диаметра находит все более широкое применение в отечественной и зарубежной практике шахтного и подземного строительства;

1.2. в зарубежной практике скважины большого диаметра крепятся различными конструкциями крепи в зависимости от горногеологических условий и технических требований, предъявляемых к скважине, на основании технико-экономического анализа. В России и странах СНГ для крепления скважин используют, в основном, металлические секционные крепи. Применение других видов крепи носит эпизодический характер;

1.3. анализ структуры затрат стоимости, трудоемкости и продолжительности сооружения скважин большого диаметра показал, что 30-40% их приходится на процессы, связанные с креплением. С увеличением диаметра и глубины скважин доля затрат на крепление значительно возрастает;

1.4. совершенствование конструкции и технологии крепления следует рассматривать одним из основных направлений повышения технико-экономической эффективности сооружения скважин большого диаметра.

2. Выполнено исследование напряженно-деформированного состояния вмещающего скважину породного массива и крепи при креплении комбинированной набрызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой, возводимой с опережающей откачкой бурового раствора, в результате которого:

2.1. установлена зависимость напряженно-деформированного состояния вмещающего скважину породного массива в процессе бурения и крепления от плотности бурового раствора, продолжительности выполнения отдельных технологических операций, величины отставания постоянной крепи от уровня откачиваемого бурового раствора, физико-механических свойств вмещающих пород;

2.2. Разработана методика определения размеров области неупругих деформаций на незакрепленном участке скважины между уровнем бурового раствора и ранее возведенной постоянной крепью;

2.3. Разработана методика, блок-схема и алгоритм выбора основных параметров технологии крепления облегченными крепями скважин большого диаметра с опережающей откачкой бурового раствора и конструктивных решений крепи;

2.4. получены следующие научные положения:

- с увеличением удельного веса бурового раствора происходит увеличение величины суммарных смещений породного контура сечения скважины на незакрепленном участке после откачки бурового раствора и, как следствие, увеличение размеров зоны развития неупругих деформаций вокруг этого участка;

- при достижении некоторого порогового значения глубины скважины происходит изменение знака действия «снимаемых» напряжений в приконтурном массиве в период бурения. На глубинах менее порогового значения наблюдается увеличение среднего напряжения, что оказывает упрочняющее действие, а при глубинах более пороговых значений возникает развитие зоны неупругих деформаций, размеры которой имеют линейную зависимость от диаметра скважины;

- с увеличением скорости выполнения технологических процессов (бурения, откачки и крепления) наблюдается уменьшение суммарных смещений породного контура сечения скважины. Величина участка скважины между возводимой крепью и уровнем откачиваемой жидкости незначительно влияет на суммарные смещения; увеличение смещений наблюдается лишь в породах с большим временем релаксации для скважин с конечной глубиной бурения до 300 м.

3. Разработаны технико-экономически обоснованные технологические схемы крепления скважин большого диаметра комбинированной на-брызг-бетонной крепью в сочетании с железобетонными анкерами и металлической сеткой, возводимой с опережающей откачкой бурового раствора.

Установлено, что предложенная технология по сравнению с традиционной технологией крепления металлической секционной крепью позволит сократить стоимость крепления на 35-91%, трудоемкость - на 67-95%, продолжительность - на 8-83%).

4. Выполнена технико-экономическая оценка разработанной технологии и определена область ее применения.

Опытно-промышленная проверка основных положений диссертации проведена при строительстве двух водоотливных скважин на ОАО «Шахта «Бургустинская» и смотрового колодца К-7А канализационного коллектора №68 в г. Ростов-на-Дону.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сильченко, Юрий Александрович, 2003 год

1. Жиленко Н.П., Краснощек A.A. Справочное пособие по реактивно-турбинному бурению. М.: Недра, 1987. - 309 с.

2. Machines for shaft sinking and raising // Mining Magazine. April 1983. -p. 283-295.

3. Richard Braithwaite. Exploration drilling // Supplement to Mining Journal, London. 6 February 1998.-p. 14-15.

4. Хеннеке Й., Вебер В. Технический уровень бурения шахтных стволов с поверхности и слепых стволов // Глюкауф. 1991, №21 /22. - С. 17-27.

5. Бурение стволов и скважин большого диаметра // Шахтное строительство. 1969, № 1. - С. 27-31.

6. Москвин Ю.К. Скважины большого диаметра вместо ствола // Шахтное строительство. 1969, №2 - С. 22-24.

7. Шахтный ствол «Примсмульде», проходимый способом бурения, достиг отметки 1 ООО м // Глюкауф. 2003, № 1. - С. 6.

8. Мюллер Г. Проходка шахтных стволов с помощью бесштанговых буровых установок // Шахтное строительство. 1990, №8 - С. 18-24.

9. Мюллер Г. Современное состояние и перспективы развития бурения шахтных стволов // Шахтное строительство. 1990, №8 - С. 2-4.

10. Маас К. Новая крепь стволов, пройденных бурением // Глюкауф. 1991, №1/2.-С. 14-21.

11. Мюллер Г., Камин Н. Проходка шахтных стволов способом нисходящего и восходящего бурения // Шахтное строительство. 1990, №7-С. 25-28.

12. Вайбецан К. Новые машины для бурения шахтных стволов // Глюкауф. -1991, №3/4.-С. 46-52.

13. Камин Н. Основные направления развития технологии бурения стволов в ФРГ // Шахтное строительство. 1990, №7 - С. 11-14.

14. Пиготт К.П. Управляемые буровые агрегаты // Глюкауф. 1991, №3/4. -С. 42-46.

15. Чжан Янчен. Бурение шахтных стволов по водоносным неустойчивымпородам на шахтах КНР // Глкжауф. 1985, №19. - С. 33-37.

16. Шмуккер Б. Проходка шахтных стволов способом бурения в Алабаме // Глюкауф. 1985, №19. - С. 29-33.

17. Тоншайдт Г.В. Уровень развития буровой проходки стволов с использованием бесштанговых стволопроходческих машин // Глюкауф. 1989, №13/14.-С. 19-26.

18. Кослар В. Опыт эксплуатации расширителя с дисковыми резцами для разбуривания передовых скважин // Глюкауф. 1989, №9/10. - С. 34-38.

19. Гросекемпер Г.Ю., Тоншайдт Г.В. Проходка слепых стволов и бункеров способом рейз-боринг // Глюкауф. 1986, №7. - С. 3-10. •

20. Фогте Х.П. Эрлифтные установки для бурения стволов // Шахтное строительство. 1990, №8 - С. 7-13.

21. Штайнберг 3. Устройство управления буром с лопастным затвором для направленного бурения глубоких скважин большого диаметра // Глюкауф. 1992, №9. - С. 35-40.

22. Астрахань А.З. 25 лет бурения стволов в объединении Спецшахтобурение // Шахтное строительство. 1990, №7 - С. 3-7.

23. Астрахань А.З., Леоненко Е.В. Проходка стволов бурением на угольных шахтах СССР // Глюкауф. 1991, № 1 /2. - С. 5-9.

24. Федюкин В.А., Корчак A.B. Совершенствовать и развивать бурение стволов //Шахтное строительство. 1985, №8. - С. 6-9.

25. Макаров A.A., Сапронов В.Т., Минаков B.JI., Банк A.C., Бласенков A.B. Опыт комбайновой проходки вертикальных стволов / Экспресс-информ. / ЦНИЭИуголь, ЦБНТИ Минуглепрома УССР. М., 1980. - 17 с.

26. Бурма И.И., Герасимчук Д.А., Григорьян Г.Г., Костенко С.Д. Проходка вертикального ствола комплексом СК-1Д // Шахтное строительство.1985, №6-С. 1-3.

27. Малиованов Д.И., Григорьян Г.Г., Власенков A.B., Новик Е.Б. Проходка ствола комбайном СК-1У на шахте имени Калинина // Шахтное строительство. 1983, №9 - С. 23-25.

28. Проспект ГХК «Спецшахтобурение».

29. Федюкин В.А. Проходка вертикальных горных выработок бурением. -М.: Недра, 1975.-255 с.

30. Агарков А.К. Развитие технологии крепления скважин большого диаметра в СССР // Шахтное строительство. 1990, №8 - С. 5-6.

31. Зюзин И.М., Посохов В.В., Солошенко В.И. Возведение монолитной бетонной крепи вертикальных горных выработок в среде бурового раствора // Шахтное строительство. 1989, №4 - С. 29-30.

32. Будник A.B., Ягодкин Ф.И., Левит В.В. Крепление и армирование стволов, пройденных бурением: Обзорная информация / ЦНИЭИуголь. -М., 1993.-32 с.

33. Справочник (кадастр) физических свойств горных пород / Под ред. Н.В. Мельникова, В.В. Ржевского, М.М. Протодьяконова. М.: «Недра», 1975.-279 с.

34. Ржевский В.В. Физико-технические параметры горных пород. М.: Изд-во «Наука», 1975. - 212 с.

35. Руппенейт К.В. Некоторые вопросы механики горных пород. М.: Углетехиздат, 1954. -133 с.

36. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. Учебник для вузов. -М.: Недра, 1982.-270 с.

37. СНиП 2.03.01-84 (1989, с изм. 1988, 1989, 1992). Бетонные и железобетонные конструкции.

38. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механические процессы в породных массивах: Учебник для вузов. М.: Недра, 1986. - 272 с.

39. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи / ВНИМИ, ВНИИОМШС Минуглепрома СССР. М.: Стройиздат, 1983. - 272 с.

40. Баклашов И.В. Деформирование и разрушение породных массивов. -М.: Недра, 1988.-271 с.

41. РД 12.18.089-90. Инструкция по расчету и применению облегченных видов крепей с анкерами в вертикальных стволах. Харьков, 1990. -76 с.

42. Булычев Н.С., Галахов В.В. Давление пород на крепь ствола, пройденного бурением // Шахтное строительство. С. 18-20.

43. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкций крепей. Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1992.-543 с.

44. СНиП П-94-80. Подземные горные выработки / Госстрой СССР М.: Стройиздат, 1982.-31 с.

45. Булычев Н.С., Абрамсон Х.И. Крепь вертикальных стволов шахт. М.: Недра, 1978.- 301 с.

46. Воронин B.C. Влияние инъекции цементно-песчаного раствора и качества материала на работу набрызг-бетонной крепи // Цветная металлургия. 1969, №7 - С. 12-13.

47. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкций крепей. Учеб. для вузов. 1-е изд. - М.: Недра, 1984.

48. Ионов В.Н., Огибалов П.М. Прочность пространственных элементов конструкции. М.: Высшая школа, 1972.

49. Булычев Н.С., Фотиева H.H., Стрельцов Е.В. Проектирование и расчет крепи капитальных выработок. М.: Недра, 1986. - 288 с.

50. Баклашов И.В., Тимофеев О.В. Конструкции и расчет крепей и обделок. -М.: Недра, 1979.-263 с.

51. ГОСТ 10884-94. Сталь арматурная термомеханически упрочненная для железобетонных конструкций. Технические условия.

52. ВСН 126-90. Крепление выработок набрызг-бетоном и анкерами при строительстве транспортных тоннелей и метрополитенов. Нормы проектирования и производства работ.

53. Воронин B.C. Набрызг-бетонная крепь. -М.: Недра, 1980. 199 с.

54. СНиП IV-5-82. Приложение. Сборники единичных районных расценок на строительные конструкции и работы. Сб. 35. Горнопроходческие работы. Кн. 1 и 2./ Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1983. - 594 с.

55. Борисовец В.А., Ревзюк Е.Б. Ускорить внедрение высокоэффективной набрызг-бетонной крепи в вертикальных стволах // Шахтное строительство. -1971, № 10 С. 9-13.

56. Вяльцев М.М. Опыт применения набрызг-бетонных крепей в вертикальных стволах шахт / Экспресс-информ. / ЦНИЭИуголь, ЦБНТИ Минуглепрома УССР.-М., 1983.-С. 1-13.

57. СНиП 4.02-91. Сборник сметных норм и расценок на строительные работы. Сб. 4. Скважины. / Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1991. -100 с.